КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ НА ПЕРЕДНЕЙ И ЗАДНЕЙ ПОВЕРХНОСТЯХ ИНСТРУМЕНТА

В процессе резания в тонком прирезцовом слое стружки толщиной менее 1 мм линии текстуры изгибаются в сторону, обратную движению стружки (рис. 3.12). Это свидетельствует о наличии вторичной пластической деформации обрабатываемого материала, перешедшего в стружку, возникающей под действием силы трения F на передней поверхности инструмента и тормозящей движение стружки. При этом чем больше сила трения F, тем больше толщина заторможенного слоя и больше искривление линии текстуры.

Большие значения силы трения F объясняются высокими касательными напряжениями τ_f, возникающими при трении свежеобразованной химически чистой (ювенильной) поверхности стружки по зачищенной, освобожденной от окислов передней поверхности инструмента. При этом на очень малой по размерам площадке контакта действуют большие нормальные напряжения σ_N. В условиях высокой температуры резания и межмолекулярного взаимодействия прирезцового слоя стружки с передней поверхностью инструмента стружка перемещается уже не по передней поверхности инструмента, а по заторможенному слою. Таким образом, в этом случае внешнее трение заменяется внутренним трением.

О силе сцепления заторможенного слоя с передней поверхностью инструмента можно судить по тому факту, что если, например, при сварке трением двух стальных образцов со скоростью v = 16.. .50 м/мин давление составляет 45...70 МПа, то при резании это давление в 5... 10 раз выше.

Рис. 3.12 Схема искривления линий текстуры стружки при вторичной деформации в застойной зоне OEF

Следовательно, при резании создаются более жесткие условия, чем при сварке трением. Этим, в частности, объясняется и тот факт, что при мгновенной остановке процесса резания металлов, склонных к наростообразованию (сталь, чугун), заторможенный слой приваривается к передней поверхности инструмента и отделяется от основной массы тела стружки.

Металлографические исследования «корней» стружек показали, что длина контакта стружки с передней поверхностью С (см. рис. 3.12) состоит из двух участков: 1) С₁ - участок пластического контакта; 2) (С—С₁) - участок внешнего трения. О степени деформации на первом участке контакта можно судить по искривлению линий структуры стружки в застойной зоне.

Работа касательных сил на передней поверхности инструмента фактически является не работой трения, а работой пластической деформации контактного слоя стружки. Средний коэффициент трения μ_cp=F / N, влияющий на процесс стружкообразования, зависит от этого процесса. Следовательно, если по каким-либо причинам (например, при изменении свойств обрабатываемого материала) изменяются удельные нагрузки на площадке контакта стружки с передней поверхностью инструмента, то, соответственно, изменяется и средний коэффициент трения μ_ср. В этом и заключается взаимосвязь процессов, происходящих в зоне стружкообразования (около условной плоскости сдвига) и в зоне контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Установить точную количественную зависимость между внешними факторами процесса резания и средним коэффициентом трения пока не удалось из-за сложности многочисленных внутренних связей процесса резания.

На процесс трения большое влияние оказывают свойства обрабатываемого материала. При отсутствии СОЖ коэффициенты трения при резании стали μ = 0,5... 1,7, свинца - μ = 0,4...0,8, а алюминия - μ = 0,93... 1,5, что значительно выше, чем при обычном внешнем трении скольжения, происходящем при комнатной температуре.

Экспериментально установлено, что длину участка пластического контакта при резании металлов можно определить по следующей эмпирической зависимости

, (3.19)

а общую длину контакта

С = а(2,05K - 0,5). (3.20)

Обычно отношение С₁/С≤0,7, а для сталей - С₁/С ≈ 0,5. В уравнениях (3.19) и (3.21) длины контакта на передней поверхности инструмента пропорциональны толщине срезаемого слоя а и зависят также от усадки К и переднего угла γ. При этом скорость резания v, температура θ и свойства обрабатываемого материала влияют на длину контакта через изменение усадки.

Нормальные напряжения σ_n сильно зависят от условий резания. По длине контакта они распределены неравномерно, монотонно возрастая в направлении к режущей кромке. В свою очередь касательные напряжения не зависят от условий резания v , γ, а, θ и на длине С₁остаются примерно постоянными, снижаясь до нуля на участке внешнего трения длиной (С-С₁)(рис. 3.13).

Если определять коэффициент трения при резании как отношение
μ = F/N = tgη, то на длине С₁он оказывается величиной переменной. В каждой точке контакта из-за переменности площади контакта стружки с передней поверхностью инструмента коэффициент трения следовало бы определять по отношению напряжений

. (3.21)

Рис.3.13. Схематическое изображение эпюр нормальныхσnи касательныхτFнапряжений по длине контакта стружки с передней поверхностью

Только на участке длиной (C-C₁), на котором пластическая деформация отсутствует и имеет место внешнее трение, коэффициент трения можно определять по закону Амонтона-Кулона, согласно которому F = μN. При этом значения коэффициента внешнего трения не зависят от площади контакта и находятся в пределах μ_вт = 0,3...0,5. На участке длиной С₁значения коэффициента трения находятся в более широком диапазоне - μ = 0,5.. .0,9.

При расчете силы резания обычно используют условную величину среднего коэффициента трения μ_ср, который в основном зависит от условий трения на участке длиной С₁ где сосредоточена основная часть нагрузки. Рассмотрим влияние на средний коэффициент трения μ_ср основных параметров процесса резания: переднего угла γ, толщины срезаемого слоя а и скорости резания v [см. уравнение (3.21)]. С уменьшением переднего угла γ удельные нормальные напряжения σ_N возрастают, касательные напряжения τ_F остаются практически постоянными и поэтому средний коэффициент трения μ_ср уменьшается (рис. 3.14).

Рис.3.14. Влияние переднего углаγ на средний коэффициент тренияμсрпри резании сталей 30Х (s = 0,15 мм/об, v = 100 м/мин) и 40ХНМ (52 HRC, s = 0,15 мм/об, v = 18 м/мин)

Рассмотрим контактные процессы на задней поверхности инструмента.

В процессе снятия стружки режущий клин, несмотря на наличие заднего угла, взаимодействует своей задней поверхностью с поверхностью резания на очень малой площадке контакта (трения). Это объясняется упругим восстановлением - подъемом обработанной поверхности после прохождения резца. Величина такого подъема Δ у идеального острого режущего клина определяет длину OK площади контакта задней поверхности инструмента (рис. 3.15, а). Реальный режущий клин всегда имеет при вершине радиус скругления, величина которого в зависимости от технологии заточки и инструментального материала обычно находится в пределах ρ = 0,005...0,02 мм (рис. 3.15, б). Наличие радиуса скругления таких размеров оказывает положительное влияние на процесс резания, так как предотвращает преждевременное разрушение режущей кромки инструмента.

При резании реальным инструментом (рис. 3.15, б) наплывающий на резец металл в точке С делится на два потока, из которых верхний поток уходит со стружкой, а нижний, толщиной a_min, подминается задней поверхностью инструмента. При этом реальная поверхность резания СЕ не совпадает с номинальной поверхностью ND. Объем металла CEND, контактируя с участком CD, площадкой износа DL и участком LM задней поверхности, претерпевает значительную деформацию. Поэтому на обработанной поверхности появляется тонкий, сильно деформированный (наклепанный) слой, толщиной h_н. Напряжения, возникающие в этом слое, оказывают большое влияние на износостойкость и усталостную прочность деталей. Таким образом, фактический контур контакта режущего клина с поверхностью резания чаще всего состоит из трех участков: криволинейного CD и двух прямолинейных участков DL и LM.

Схема взаимодействия идеально острого режущего клина с фаской износа h_з.п на задней поверхности показана на рис. 3.15, в.

	Рис.3.15. Схема взаимодействия с заготовкой: а - идеально острого режущего клина; б - реального режущего клина; в - идеально острого режущего клина с фаской износа hз.п на задней поверхности

Движущаяся перед клином зона стружкообразования сопровождается волной упругой деформации, что приводит к опусканию границы полуплоскости на величину U_max. При этом восстанавливающаяся позади режущей кромки поверхность mn₁j взаимодействует с плоскостью фаски, деформируясь до положения mnj и вызывая дополнительное давление на фаску износа задней поверхности при удалении от режущей кромки.

1) Прогиб поверхности среза вызывает сила Р_уп,действующая со стороны передней поверхности. При сливной стружке эта сила достаточно стабильна. При элементном стружкообразовании характер взаимодействия режущего клина с поверхностью среза существенно изменяется. Последний этап формирования элемента стружки - его отделение от заготовки - сопровождается резким падением (иногда даже до нуля) нагрузки в зоне стружкообразования на участке длиной (-l...l), где 2l = a ctgΦ. Упруго восстанавливающаяся поверхность среза создает при этом дополнительное давление, примерно пропорциональное перемещению U(x), и, следовательно, тем большее, чем ближе к режущей кромке находится рассматриваемая точка. Дополнительная пульсирующая нагрузка должна быть по амплитуде значительно выше, чем обусловленная деформацией поверхности среза при сливном стружкообразовании, определяемой величиной U(h).

Нормальную силу N₁и касательную силу трения F₁действующие на задней поверхности клина, из-за малой величины площадки контакта принято изображать так, как это показано на рис. 3.16. Здесь составляющая N₁ - перпендикулярна к площадке контакта, а составляющая F₁ - касательна к ней. Суммируя эти составляющие, по аналогии со схемой сил, действующих на передней поверхности инструмента, получим равнодействующую силу на задней поверхности режущего клина

R. (3.22)

Рис. 3.16. Схема сил, действующих на передней и задней поверхностях режущего клина

В отличие от процесса трения на передней поверхности, силы на задней поверхности острого резца значительно меньше по величине. Они практически не зависят от толщины среза а, так как не принимают участия в деформации обрабатываемого материала при его переходе в стружку, а являются результатом локальных деформационных процессов на задней поверхности. Эти силы зависят от площади контакта режущего клина с поверхностью резания и изменяются пропорционально длине режущей кромки, равной ширине среза b. Сила резания (стружкообразования) R на передней поверхности и ее составляющие N, F по направлению совпадают с направлениями действия соответственно составляющих силы резания Р₁и Р₂и поэтому суммируются с ними, т.е. или по абсолютной величине составляющие вдоль осей Z и Y

P_z = P₁+F₁; (3.23)

P_y=P₂+N₁. (3.24)

В этих формулах составляющие направлены следующим образом: Р_zкасательна к поверхности резания, т.е. действует в направлении вектора скорости резания ; Р_y - перпендикулярна к поверхности резания, т.е. действует в направлении вектора подачи (см. рис. 2.2 и рис. 3.16).

В связи с тем, что доля составляющих результирующей силы R₁на задней поверхности острого резца N₁и F₁ в суммарных значениях составляющих Р_z и Р_у мала, то при расчете сил для случая черновой обработки (s > 0,15 мм/об) ими обычно пренебрегают. При чистовой обработке, когда снимаются тонкие стружки, при больших площадках износа по задней поверхности, а также при резании закаленных сталей доля составляющих результирующей силы R₁на задней поверхности N₁и F₁ велика и даже может превысить долю составляющих силы резания (стружкообразования) R₁на передней поверхности. Тогда это необходимо учитывать в расчетах.

При изготовлении ответственных, сильно нагружаемых деталей, требующих высококачественного поверхностного слоя, составляющие N₁и F₁ результирующей силы R₁на задней поверхности необходимо знать для расчета величины и знака остаточных напряжений в этом слое.

После исчезновения нароста наблюдается значительное увеличение указанных составляющих сил резания, почти пропорциональное размеру фаски износа h_з.п. Это подтверждается и характером износа быстрорежущих инструментов, которые работают в области наростообразования (до температуры резания θ = 600 °С) и при больших толщинах среза изнашиваются в основном по передней поверхности и почти не изнашиваются по задней поверхности. Если же инструменты заточить с передним углом γ = 45°, т.е. создать условия, когда нарост практически не образуется, то при тех же скоростях резания появляется значительный износ по задней поверхности. Такая же закономерность наблюдается и при снятии тонких стружек.

При резании термически необработанных сталей интенсивность силы на задней поверхности режущего клина обычно находятся в пределах 20... 100 Н/мм. При обработке закаленных сталей силы на задней поверхности инструмента существенно возрастают. Одновременно с ростом твердости обрабатываемого материала уменьшается площадка контакта режущего клина по задней поверхности инструмента. Характер изменения нормальных и касательных напряжений на задней поверхности и коэффициента трения μ₁ = / в зависимости от твердости по Роквеллу (HRC) показан на рис. 3.17.

Стали повышенной твердости обычно обрабатывают твердосплавными инструментами со снятием тонких стружек. В этом случае доля сил на задней поверхности в общей силе резания резко возрастает.

Пользуясь схемой сил, показанной на рис. 3.16, составляющую Р_у можно определить по формуле

Р_у = Fcosγ - Nsinγ + N₁. (3.25)

Из этого уравнения следует, что при большом значении переднего угла γ и малых величинах N₁и F, составляющая силы резания Р_у даже может быть отрицательной, так как

Fcosγ + N₁ < Nsinγ.

Рис. 3.17. Влияние твердости HRC обрабатываемого материала на удельные нормальную и касательную нагрузки и коэффициент тренияμ₁ на задней поверхности инструмента

Такая ситуация возникает, например, при рассверливании отверстий или при точении валов круглыми ротационными резцами. При этом в первом случае на периферии сверла передний угол достигает γ = 30°, составляющие N₁и F малы при относительно небольшой толщине среза а, а во втором случае составляющая F вообще снижается почти до нуля. В обоих случаях процесс резания происходит при «самоподаче» инструмента, который характеризуется резким увеличением толщины срезаемого слоя (подачи), а следовательно, и силы резания. При наличии зазоров в механизме подачи станка это может привести к самозатягиванию инструмента и, как следствие, к поломке инструмента, заготовки и даже механизма подачи станка, а также к травме рабочего-станочника. Поэтому на практике необходимо всячески избегать этой ситуации.

По природе и назначению F, F₁, N и N₁принято называть физическими составляющими, a P_z и Р_у - технологическими составляющими.